Evrenin Sırları yazı dizisi bu bölümde ışık konusuna değiniyor. Işık nedir? Işığın doğasını merak eden bilim insanları nasıl kuantum fiziğinin de temellerini atmış oldular? Özel Görelilik Kuramına göre evrenin üst hız sınırı olan ışık aslında o kadar da özel mi? Sahi bu ekranı nasıl görüyorsunuz?
Belki ışık ile ilgili aklınızda tek kalan, lise sonda fizik öğretmeninizin ışığı bir doğru boyunca her yöne yayılan ışın olarak tanımlamasıdır. Belki yetiştirdiyse öğretmeniniz ışığın dalga özelliğinden bahsedebilmiş, diplomayı almış kapıdan tam çıkarken ise ışık hem dalgadır hem parçacıktır diyerek kafanızı allak bullak etmiş olabilir. Gerçekten de ışık nedir? Işık çok mu özeldir? Hoş, kendine ait üstelik adında özel kelimesi geçen ‘Özel Görelilik Kuramı’ vardır. Musa’ya inmiş 10 Emir gibi Einstein’a inmiş 11. Emir’dir adeta: ‘Işıktan hızlı gitmeyeceksin!’ Işıkla ilgili bu kuram özel olmasına özel fakat ışıkla ilgili aslında pek de özel bir durum yok. Işık, daha doğru bir ifadeyle görünen ışık, koskoca elektromanyetik spektrumun ufacık bir aralığı ve tesadüf şudur ki retinamız ve beynimiz sayesinde görüntüye çevriliyor. Sahi, bu ekranı nasıl görüyorsunuz? Elektromanyetik de ne demek?
DALGALAR
Işığın ne olduğunu anlatmadan önce radyasyonu tanımlamak gerek. Radyasyon deyince insanın aklına tehlikeli bir durum geliyor ama radyasyon bir merkezden dışarıya, her yöne dalgalarla yayılma demek. Aklımıza ilk gelen dalgalar şüphesiz su dalgaları. Suya bir taş atarsanız, attığınız merkezden dairesel olarak dalgalar oluşacaktır. Dalga, sudaki yükseklik ve alçaklıklardır. Dalga yayılırken söz konusu taş olduğu noktaya düşer fakat etkisini dalgalar aracılığı ile uzaklara gönderir. Cismin yerinden hiç oynamadığını ve yalnızca enerjisini dalgalar halinde yaydığını anlamak çok önemli. Sudaki bir plastik top gelen dalganın etkisiyle yukarı ve aşağıya hareket ederek cevap verir. İkinci dalga örneğimiz ise gözle göremediğimiz ses dalgaları. Ellerinizi çırparsanız ortamdaki hava moleküllerini hareket ettireceğinizden her yöne bir dalga gönderirsiniz. Bu dalgayı havayı sıkıştırarak oluşturursunuz ve basınç değişimi sizden uzakta duran insanların kulak zarında titreşime neden olur, beyniniz de bunu bir alkış sesi olarak yorumlar. Elleriniz olduğu yerde kaldı ve sıkışan havanın dalgaları yayıldı.
Işık da bir dalga yayılmasıdır. Fakat burada hareketi başlatan taş veya elleriniz değil, bir elektrondur.
IŞIK
KISA HATIRLATMA: Her madde atomlardan oluşur. Atomun çekirdeğinde nötron (yüksüz) ve proton (pozitif elektrik yüklü), çevresinde ise elektronlar (negatif elektrik yüklü) bulunur.
Bir elektronu salladığınızda etrafına dalgalar yayılır. Buna özel bir isim veriliyor: elektromanyetik radyasyon. Bu elektromanyetik radyasyon çok çeşitli dalga boylarında ve frekanslarda olabilir ve hepsi birden bir elektromanyetik tayf oluşturur.
Biz ışık deyince aslında 'görünen ışık' demek istiyoruz.
Bu da sadece elektromanyetik dalgalar tayfında küçük bir bölüme tekabül ediyor. Örneğin tayfın bir ucunda gamma dalgaları var. Dalga boyları hidrojen atomundan bile daha küçük. Büyüklüğü anlamak için şöyle bir karşılaştırma yapılabilir; 50 kuruşun Ay’a olan oranının aynısı hidrojen atomunun 50 kuruşa olan oranı. Tayfın diğer ucunda ise 100.000 kilometreye kadar ulaşan dalga boylarıyla radyo dalgaları var. Görünen ışık ise bu tayfın tam ortasında bulunuyor. 400 ila 700 nanometre uzunluğunda dalga boyuna sahip. Peki görünen ışığı diğer elektromanyetik dalgalardan ayıran ne? Kocaman bir hiçbir şey!
ELEKTROMANYETİK TAYF
Temel fizik eğitiminin üzerine çıkıyoruz, artık dönüş yok. Aşağıda gördüğünüz tayf 250 yılda çizilebilmiştir. İşte bilim böyledir; sabırla ve katlanarak ilerlediği için bir alkışı hakkediyor. Kimyagerler için periyodik cetvel ne ise fizikçiler için de elektromanyetik tayf odur.
Üç çeşit radyasyon gördük, bunların birincisi suda oluşan bir bozulmayla oluşan su dalgaları ikincisi hava basıncında oluşan bir bozulma ile oluşan ses dalgaları. Bu ikisi de belli bir maddenin moleküllerini oynatarak enerji transferini sağlıyor. (Boşlukta ses seyahat edemez çünkü oynatabileceği hava molekülleri yoktur.) Fakat üçüncüsü yüklü bir katı cisimde oluşan bozulmalar (atomda) ve enerjinin yayılması için aracı maddeye ihtiyacı yok. Kısaca elektromanyetik dalgalar uzay boşluğunda da rahatlıkla yol alabilir.
Neden elektron?
Elektronlar metallerde kolaylıkla harekete geçebilirler. Alüminyum ya da bakırdan bir tel meydana getirdiğinizde her atom bir elektronunu serbest bırakıyor ve elektronlar özgürce bakır tel boyunca dolaşmaya, hareket etmeye başlıyorlar. O tele bir elektrik akımı uygularsanız elektronlar çılgınca metalde hareketlerine başlıyorlar.Elektronik kelimesinin nerden geldiği ile ilgili bir fikriniz oldu! Yani dalgaları oluşturan şey elektronlar.
Bir elektronu sallarsanız diğer bir deyişle bir elektronun pozisyonunu veya hızını değiştirirseniz, o elektron çevresine elektrik dalgaları ve manyetik dalgalar yayacaktır ve uzaktaki elektronları onlara değmeden etkileyecektir. (Aynı taş ve çırpan eller örneğindeki gibi) Bu dalgaları tam anlamıyla anlamak için ‘alan’ konseptini açıklamak gerek. Fakat önce bir ilkokul anısı: aynı yükler birbirini iter, farklı yükler birbirini çeker.
ALANLAR
1-Elektrik Alanı
Bir örümcek ve onun ağını düşünün. Örümcek sallanan yüklü parçacığımız. Örümcek ağını ördükten sonra hiçbir şey yapmaz, olduğu yerde durur, ağının av bulma işlevini yerine getirmesini bekler. İşte elektron ya da proton da olduğu yerde durur, etkileşim ağını örer ve etrafında yarattığı bu görünmeyen alanla bir başka yüklü parçacığın etkileşmesini bekler. İki adımlı bir süreçten bahsediyoruz. Bir, yüklü parçacığın ağını örmesi; iki, diğer parçacığın da yüküne göre ya bu ağdan kaçması ya da bu ağa takılması. Parçacıklar birbirleriyle direkt olarak etkileşmez, ağ üzerinden etkileşirler. Bu ağ gerçektir ve evrende her yüklü maddenin etrafında vardır. Yüklü bir parçacığın yerini değiştirirseniz, alanı da onunla birlikte taşınacaktır. Alandaki bu değişim ise zaman alır. Bu zaman tam da ışığın yeni konuma seyahat etmesi ile aynı süredir. Elektrik alanları ışık hızında hareket ederler.
Elektronun elektrik alanı
2- Manyetik Alan
Yüklü bir parçacığı hareket ettirirseniz, elektrik alanının yanında ikinci bir alan daha oluşur. O da manyetik alandır. Fakat bu alan doğrusal değil daha kıvrıkımsı bir şekildedir. Yüklü parçacığın gittiği yöne doğru kıvrılır. Bu alan elektrik alanına göre çok daha zayıf bir alan olsa da elektrik akımına eşlik ediyor olması çok önemlidir.
Elektronun mantyetik alanı
3-Elektromanyetik Alan
Her an elektrik alanı yaratan yüklü parçacığımızı hareket ettirince manyetik alan da yarattık. Altın vuruş için bu yüklü parçacığını hareketini hızlandırmak, yavaşlatmak yönünü değiştirmek yani kısaca ivme kazandırmak gerekiyor. İşte o zaman öyle özel bir durum olur ki elektrik alanı ile manyetik alan birbiriyle tam 90 derece çakışır. Ve bu alanların birlikte ne hızla hareket edildiği ölçüldü? Bildiniz IŞIK! İşte bu noktadan yola çıkılarak ışığın hızlanarak hareket eden yüklü parçacıkların oluşturduğu elektromanyetik alanın ta kendisi olduğu ispat edildi. Ateşin bulunması gibi olağanüstü bir keşifti.
Elektronun elektromanyetik alanı
Bu ‘NASIL’lar elektromanyetik dalgalarla ilgili bilgilerinizin oturmasını sağlayabilir:
Ekrandaki bu yazıyı NASIL görüyorsunuz?
Güneşten ya da yapay kaynaklardan gelen elektromanyetik dalgalar cisimlere çarpar ve cisimlerin içindeki atomların içindeki elektronları hızlandırmaya başlar. Hızlanan elektronlar yine ve yeniden elektromanyetik dalgalar yayar Örneğin ampullerin içindeki tungsten elektrikle ısınır ve içinde hareketlenmeye başlayan elektronlar elektromanyetik dalgalar yaymaya başlar. Boyu bir bakteri kadar olan dalgalar da beynimizde görüntüye dönüşür.
Görünen ışığın taşıdığı enerji retinamızın konik hücrelerini uyarınca, içlerindeki elektronlar da elektromanyetik dalga yaymaya başlıyor. Oluşan elektrik alanı moleküllerimizdeki elektronları oynatır ve bir elektrik sinyali optik sinir boyunca beyne gider. Sinyali alan beyindeki nöronlar da bunu görüntüye çevirir. Işık sinir sistemimizin görüntüye dönüştürdüğü elektromanyetik dalgalardır!
Gözlerimiz öyle bir şekilde oluştu ki yalnızca elektromanyetik tayfın bu bölümünü kaydedebiliyor.
Tabi bu bir tesadüf değil. Görünebilir ışık diğer elektromanyetik dalgalara karşın suda yayılabilen tek dalga. Milyonlarca yıl önce gözlerin ilk evrildiği yer de suyun altıydı ve etrafımızı gecikmesiz bir şekilde görebilmek hayatta kalabilmek için elzemdi.
Işık bir nesneye çarptığında örneğin muza nesne bu ışığın bir kısmını emer, geri kalanını yansıtır. Hangi dalga boylarını emip hangileri yansıttığı tamamen nesnenin niteliğine bağlıdır. Olgun bir muz 570 ila 580 nanometre dalga boylarını sektirtir, diğer hepsini emer. Bu da sarı rengin dalga boyudur.
NASIL radyo dinliyorsunuz?
Mikrofonla yakalan ses dalgaları elektrik enerjisine çevrilir. Bu elektrik de metal verici anteninin içindeki elektronları hızlandırmaya başlar. Bu elektronlar kilometrelerce uzunluğunda elektromanyetik dalgalar yaratır. Dalgalar evimizde bulunan radyomuzun anteninde aynı etkiyi yapar; yani antenin içindeki elektronlar harekete başlar. Bu işlem tabi ki ışık hızında oldu! Oluşan elektrik akımı yeniden sese çevrilir. Televizyon da aynı mantıkla çalışır.
Cep telefonu NASIL çalışır?
Cep telefonlarını hem bilgi yollayan hem de bilgi alan bir radyo gibi düşünebilirsiniz. Cep telefonumuz en yakın baz istasyonu ile mikrodalgalar yollayarak kablosuz iletişime geçer, baz istasyonu kablo ile merkez telefon şebekesine bağlanır, şebeke de aradığımız kişinin baz istasyonuna haber yollar. “Cep telefonları radyasyon saçıyor, hele baz istasyonları!” Bu şikayete sık rastlamışsınızdır. Radyasyonu kötü anlamda kullanmış halbuki ima edilen mikrodalga elektromanyetik dalgalar ve bu dalga boyunu biz algılayamıyoruz. Kaldı ki baz istasyonlarından yayılan mikrodalgaların enerjisi 100 vat kadardır. Yani evimizdeki normal bir ampulün gücünde. Cep telefonlarımızın yaydığı dalgaların enerjisi de 1 vatın yarısından azdır. Mikrodalga fırınlarımız ise 1000 vat. Cep telefonu teknolojisi hücre mantığından yani küçük hücrelerde az sayıda müşteriye hizmet etme mantığından çıktığı için düşük güçtedir. Mikrodalga fırınımızdan kapağı kapalı olduğu halde sızan dalgaların cep telefonundan daha tehlikeli olduğu söylenebilir.
Mikrodalga fırın yemeği NASIL ısıtır?
Mikrodalga bildiniz mikrodalga fırınlarda da kullanılır. Fakat iletişim cihazlarından farklı olarak enerjileri çok daha yüksektir, ne de olsa çorbaya ısın demekten başka taşıyacağı bir mesaj yoktur. Magnetron adındaki cihaz 12,25 cm boyunda dalgalar yayarak, yemeklerin içindeki su moleküllerinin içindeki + yüklü oksijen ile – yüklü hidrojen atomlarını titreştirmeye başlar. Bir partide dans etmeye başlayan kalabalığın birbirine çarparak dans ettiğini ve ortamın ısısının yükseldiği görüntüsünü aklınıza getirin, işte aynen bu atomlar da bu şekilde çorbayı ısıtıyorlar.
Radyo dalgaları, mikro dalga veya ışık bize bir zarar vermezken gamma ve x ışınları NASIL zarar veriyor?
Diğer dalga boylarının uzunluğu daha az enerji gerektirir, oysa x ve gamma ışınlarının kısa dalga boylarının oluşması için (bir başka deyişle yüksek frekans) inanılmaz yüksek enerjiye ihtiyaç vardır. Örneğin resimdeki gibi bir ipin frekansını arttırmak isterseniz çok fazla enerji kullanmalısınız. Bu yüksek enerjili dalgalar atomun yapısını bozacak kadar kuvvetlidir. Onlar atomu iyonize ederler yani nötr halden yüklü bir hale gelmesine neden olurlar. Bir yerlerde de tam tersi yükte bir atom varsa aralarındaki kimyasal reaksiyon yıkıcı olur. Bunlara nükleer radyasyon da denilebilir çünkü bir atomun içinde gerçekleşirler. Diğer elektromanyetik radyasyonlar yalnızca elektronları hareket ettirirler, yapılarını bozmazlar. X ve Gamma ışınları kontrollü kullanım sayesinde kanserli hücreleri elimine edebilirler. Öte yandan uzun süre bu ışınlara maruz kalmak istemezsiniz.
Gece görüş gözlükleri NASIL çalışır?
Çok parlak bir görüntüyü loş hale getirmek oldukça kolayken, (bir güneş gözlüğüne bakar) çok loş bir görüntüyü kolaylıkla görebilecek hale getirmek hiç de kolay bir görev değildir. Her ısısı olan nesne etrafına elektromanyetik dalga yayar. Bizler de 36.5 derece olan vücut ısımızla etrafımıza kızılötesi ışınlar yayarız. Özel bir lens etraftaki tüm ısı yayan nesnelerin saldığı kızılötesi ışınları toplar. Bu ışınlar (fotonlar) elektriğe çevrilir (fotoelektrik) ve elektrik bir transistör yardımıyla güçlendirilir. Daha yüksek enerjili elektronlar daha sonra yeniden fotona çevrilir. Bu fotonlar televizyon ekranı gibi bir ekrana çarpar ve gözün görebileceği dalga boyuna erişebilecek enerjiye sahiptirler artık.
ELEKTROMANYETİZMA TARİHİNDE KİLİT BİLİM İNSANLARI
Isaac Newton: 1666- Karanlık odada prizma deneyiyle, beyaz rengin tüm renklerin geçtiği bir spektrumdan oluştuğunu ve ışığın parçacıklar demeti olarak hareket ettiğini buldu.
Christiaan Huygens: 1678-Işık dalgadır ve ışığın hızı sonsuz değildir, sabittir dedi.
Thomas Young: 1801- Çift Yarık Deneyi (Bkz: Evrenin Sırları 6 ve 7) ile ışığın dalga karakterli olduğunu ispatladı. Işığı iki yarıktan geçirdiğinde yarıkların arkasındaki duvarda iki sıra ışık izdüşümü değil; tıpkı dalgaların karakterindeki gibi bir girişim modeli, ikiden daha fazla iz çıktı. Young, ışığın prizmadan geçerken, dalga boyuna göre farklı açılarla kırıldığı, böylece renklerine ayrıldığını anladı.
William Hershel: 1800- Prizmada gökkuşağı gibi dağılan renklerin üzerinde termometre ile farklı ısılarını ölçtü. Fakat termometresi kırmızının ilerisinde de sıcaklık farkı yakalayınca, insanların göremediği bir ışıma olduğunu keşfetti. Kızılötesi!
Johann Wilhelm Ritter:1801- Kızılötesi olur da renk tayfının öbür sınırında morötesi olmaz mı! Güneşten gelip atmosferi geçen bizi bronzlaştıran ışınlar, aman dikkat!
Michael Faraday: 1845- Değişen bir elektrik alanın manyetik alan, değişen bir manyetik alanın da elektrik alan yarattığını keşfetti.
James Maxwell: 1865- İlk kez ışığı tarif etti. Maxwell elektromanyetik kuramını matematik zeminine oturttu. Denklemlerinin sonucunda elektromanyetik dalga hızının ışık hızıyla aynı hızda, 300.000 km/s olduğunu buldu. Tesadüf değildi. Işık elektromanyetik ışımaydı. Ve bu dalgalanma için aracı maddeye gerek yoktu, ışıkboşlukta dalgalanıyordu.
Heinrich Hertz: 1888- Spektrumun kızılötesi tarafında düşük enerjili radyo dalgalarını ve mikrodalgaları keşfetti ve bu dalgaların Maxwell’in teorisinde olduğu gibi ışık hızında ilerlediklerini doğruladı. Fotoelektrik etkisini keşfetti. Kısaca bazı metaller ışığa maruz bırakılınca elektrik üretiyordu yani fotonun elektriğe dönüşmesi. Bu etkinin oluşması ise ışığın parçacık olma özelliğini gerektiriyordu. Dalga diyorduk, yine parçacık dedik.
Paul Villard: 1900- Radyum atomunun yaydığı radyasyonu incelerken gamma ışınlarını keşfetti.
Wilhelm Röntgen: 1901- Keşfettiği ışımanın sınıflandırmada nereye ait olduğunu bilmediğinden ona X-ışınları demeyi uygun gördü. Röntgen, Nobel Fizik Ödülünü kazandı. Diğerleri neden kazanmadı diye soracak olursanız Nobel ilk kez bu yıl verilmeye başlandı da ondan.
Max Planck: 1918- Elektromanyetik enerji sürekli bir şekilde değil, aksine Planck’in ‘kuant’ adını verdiği parçacık demetleriyle salınıp emiliyordu. Kuantum mekaniğinin temelini keşfetti. Nobel’i kaptı.
Albert Einstein: 1921- Işık enerji demetleridir ve dalga gibi hareket eder dedi. Fakat Max Planck’in geliştirdiği kuantum mekaniği ile Hertz’in anlamlandıramadığı fotoelektrik etkiyi açıklarken ışığın parçacık demetleri olması gerektiğini ispatladı. Nobel’i kaptı.
Niels Bohr 1922- Hidrojen atomunu inceledi ve elektronların yalnızca belli yörüngelerde döndüğünü ve yörüngeden yörüngeye atlarken belli sabit dalga boylarında bir ışınım saldığını ispatladı.Nobel’i kaptı.
Arthur Holly Compton- 1927- Işığı hem parçacık hem dalga olarak tanımladı. Hangisinden hangisi olacağının ise tamamen gözleme dayalı olduğunu söyledi. Nobel’i kaptı.
Richard Feynman: 1965- Işığın bu ikili özelliğini ispatladı. Çift Yarık Deneyi’nde tek tek atılan foton dalga girişimi yaratmıştı, yani aynı anda iki yarıktan geçmişti. Ayrıca ışığın mümkün olan en kısa yol haricinde diğer tüm olası güzergahlardan seyahat edebildiğini ileri sürdü. Yani ampulden gelen foton yedi tane okyanus geçip gözünüze öyle gelebilir. Tahmin edin, Nobel’i kaptı.
"11. EMİR: IŞIKTAN HIZLI GİTMEYECEKSİN"*
Fotonlar gibi kütlesi olmayan her parçacık boşlukta ‘c’ hızında hareket eder ve herhangi bir hızlanma veya yavaşlama söz konusu değildir. Yani bir mumdan çıkan ışığın hızı o mumu yaktığınız andan itibaren ‘c’dir. Peki neden ‘c’nin spesifik bir değeri var? Neden hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez? Buna bir cevap henüz bulunamadı. Bu evrendeki en temel kanun ve bunu açıklayabilecek daha temel bir kanun bulunmuyor. Işık elektromanyetik tayfın bir parçasını oluşturuyor, hem dalga hem de parçacık gibi davranıyor, iki birbirine dik alan sayesinde ortaya çıkıyor ve evrenin hız sınırında seyahat ediyor. Şimdilik bilgiyi ulaştıran bu dalgaları/parçacıkları algılayabilen gözlerimize ve varoluşumuzu biraz olsun anlamlandırabilmemize şükran duyalım.
EVRENİN UHUSU
Evreni bir yapıştırıcı gibi bir arada tutan dört temel kuvvetten biri olan elektromanyetizmanın (diğerleri: kütleçekimi, zayıf nükleer kuvvet, güçlü nükleer kuvvet) taşıyıcı parçacığı olan fotonların görevinin ne kadar önemli olduğunun bir kez daha altını çizelim. Evet, görmemizi sağlıyorlar ama daha önemlisini gözden kaçırmamak gerek. Negatif yüklü elektron ile pozitif yüklü proton birbilerini çekerlerken, birbirlerine foton fırlatıyorlar, birbirlerinin ışığını emiyorlar, bu onları daha da bağlıyor ve parçacıklar bir arada durmuş oluyorlar. Atom dediğiniz yapının içindeki proton, nötrön ve elektron, atomun yalnızca yüzde 0,001’ini kapsıyor. Gerisi boşluk. Biz de atomlardan oluştuğumuza göre aslında çoğunluğumuz boşluk. O zaman nasıl olur da bir kalemi tutarken elimiz içinden geçmiyor? Elektromanyetizma yalnızca atomları bir arada tutup maddeyi oluşturmakla kalmıyor ayrıca maddelerin katı hissiyatını veren de o. Buna inanmayacaksınız ama biz yerde duruyorsak, vücudumuzdaki elektronların yerdeki elektronları itmesi sayesinde duruyoruz. Koskoca dünyanın kütleçekimine karşı elektromanyetizmin itici gücü sayesinde ayağa kalkabiliyorum. Bu gücü başlatan da elektormanyetizma, yani foton, yani ışık. Her şeyi birbirine bağlı tutan şey ışık. Kutsal Kitap’ın Yaratılış bölümünde şöyle der:
“Tanrı, ‘Işık olsun’ diye buyurdu ve ışık oldu. Tanrı ışığın iyi olduğunu gördü.”
Kaynaklar:
Light - Wave, Theory, Waves, and Scientists - JRank Articles
http://science.jrank.org/pages/3929/Light.html#ixzz49kBxP810
http://www.acikbilim.com/2013/11/dosyalar/elektromanyetik-spektrum-bize-ne-anlatiyor.html
http://www.explainthatstuff.com/how-photoelectric-cells-work.html
http://www.bbc.com/earth/story/20150731-what-is-a-ray-of-light-made-of
What Is Light? What Are Radio Waves? - Bruce Sherwood
https://www.youtube.com/watch?v=UCycg302EyY
